第２６卷第１期 ２０１３年１月 机电产品开发与刍・ｊ新 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｖｏ１．２６．Ｎｏ．１ Ｊａｎ．．２０１ ３
文章编号：１００２—６６７３（２０１３）０１—０９６—０３
有限元分析技术在车用少片变截面钢板弹簧研发中的应用
杨曼云 ，张岩晖 ，张中华 ，业凯 ，孙希平
（１．云南省机械研究设计院云南省机电一体化重点实验室，云南昆明６５００３１；
２．昆明方大春鹰板簧有限公司．云南昆明６５０１０１）
摘 要：在少片变截面ＴＢ４２８１ＬＥ前钢板弹簧总成设计中．引入有限元方法和分析理论为基础的ＣＡＥ分析
及优化设计方法。对板簧性能进行了预测及评估分析。对钢板弹簧的研究提出了精益设计的概念，
极大地提高了设计效率及精度，解决了传统设计中的算不准的问题，构建了先进的少片变截面钢
板弹簧开发模式
关键词：少片变截面钢板弹簧；有限元法；非线性；接触
中图分类号：ＴＧ５４７；ＴＢ１２２ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１３．０１．０３８
Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ＴＢ４２８１ＬＥ Ｆｒｏｎｔ Ｓｍａｌｌ Ｐｉｅｃｅ Ｔａｐｅｒｅｄ Ｌｅａｆ Ｓｐｒｉｎｇ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＦＥＭ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＹＡＮＧＭａｎ－Ｙｕｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｙａｈ—ｈｕｉ ，ＺＨＡＮＧＺｈｏｎｇ－Ｈｕａ２，ＹＥＫａｉ ，ＳＵＮＸｉ—Ｐｉ
（１．Ｙｕｎｎａｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｙｕｎｕａｎ ６５００３１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｆａｎｇｄａ—ｃｈｕｎｙｉｎｇ Ｐｌａｔｅ Ｓｐｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｙｕｎｎａｎ ６５０１０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅ ｈａｖｅ ａｐｌｌｉｅｄ ｔｈｅ ＣＡＥ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ＦＥＭ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｙ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ＴＢ４２８１ＬＥ ｆｒｏｎｔ ｓｍａｌｌ ｐｉｅｃｅ ｔａｐｅｒｅｄ ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ．Ｗｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ＣＡＥ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ＴＢ４２８１ＬＥ ｆｒｏｎｔ ｓｍａｌｌ
ｐｉｅｃｅ ｔａｐｅｒｅｄ ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｌｓｏ ｓｐｅｅｄ ｕｐ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｍｕｃｈ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ
ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｎｏｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｕｓｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｗａｖ．ｗｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ａ ｎｅｗ ｓｍａｌｌ ｐｉｅｃｅ ｔａｐｅｒｅｄ ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｍｏｄｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｌｌ ｐｉｅｃｅ ｔａｐｅｒｅｄ ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ；ＦＥＭ；ｎｏｒｆｌｉｎｅａｒ；ｃｏｎｔａｃｔ
０引言
长期以来，少片变截面钢板弹簧在设计方法上没有
根本的改变，与发达国家相比，我国少片变截面钢板弹
簧在单车消耗量和使用寿命两方面都存在巨大差距。因
此．对少片变截面钢板弹簧进行研究和生产，对降低我
国钢板弹簧的单车消耗量和提高使用寿命方面有重大的
意义。我们应用有限元仿真分析技术对ＴＢ４２８１ＬＥ前钢
板弹簧总成进行了相关动力学分析与研究，建立了力学
意义明确的少片变截面钢板弹簧的模型，在板簧设计阶
段，对板簧总成特性进行了准确的估计，降低了研发成
本．提高开发效率，缩短开发周期。提高了产品的性
能、质量。构建了先进的少片变截面钢板弹簧开发模
修稿日期：２０１２—１１一Ｏ５
作者简介：杨曼云（１９７３一），女，云南昆明人，博士在读，
高级工程师。主要从事ＣＡＤ／ＣＡＥ技术在机械领域的工业
应用工作。 式．完成了少片变截面板簧设计方法的创新。
１钢板弹簧动力学特性有限元分析影响因素
钢板弹簧设计存在几何非线性和接触非线性等多种
非线性因素，因而增加了其精确设计的难度。我们用现
代接触动力学理论结合ＣＡＥ技术解决这类设计问题。
利用结构非线性有限元方法，考虑板簧工作过程中的大
变形、各片之间的接触等多种非线性因素，准确建立钢
板弹簧的有限元模型，分析计算板簧的应力分布和刚
度。应用ＣＡＥ技术完成在设计技术、产品工艺方面关
键问题的攻关。其设计研发流程如图１所示。
实际工作中．钢板弹簧同时存在预应力、大变形、
和各叶片间的接触等多种非线性响应，因此在钢板弹簧
的有限元分析过程中，包含有几何非线性、边界非线性
问题，即为二重耦合的非线性问题。而接触问题是工程
中典型的边界条件非线性问题，其特点是：边界条件不
是在计算的开始就可以全部给出，而是在计算过程中确 ・制造业信息化・
图１少片变截面板簧产品采用的设计研发流程
定的。接触体之间的接触面积和压力分布随外载荷变
化．同时还需要考虑接触面间的摩擦行为等。工程问题
往往含有两个或多个部件间的接触问题，在接触问题
中，接触体的变形和接触边界的摩擦作用使得部分边界
条件随加载过程而变。这种由有边界条件的可变性和不
可逆转产生的非线性问题，称为边界条件非线性问题。
根据变分原理，对于两个相互接触物体所组成的系统，
在和接触边界有关的单元上。由虚功原理可知，当系统
处于平衡状态时，其外力虚功和内力虚功相等。我们依
据此原理来进行接触问题的分析计算，计算一般接触问
题的有限元求解常用方法有拉格朗日乘子法和罚函数法。
２ ＴＢ４２Ｂ１ ＬＥ前钢板弹簧总成动力学特性有
限元分析
少片变截面钢板弹簧是指只有ｌ～４片的变截面钢板
弹簧，变截面钢板弹簧是指沿钢板长度方向心较厚向两
端逐渐变薄，或者片宽和片厚均逐渐变化的钢板弹簧。
钢板弹簧通过中部的Ｕ型螺栓固定在车桥上，两端的卷
耳用销子铰接在车架的支架上。这样，通过钢板弹簧将
车桥与身连接起来，起到缓冲、减振、传力的作用。少
片变截面钢板弹簧主要包括弹簧钢板、中心螺栓、弹簧
夹、骑马螺栓、垫片等组成。中心螺栓用以联接各弹簧
片．并保证装配时各片的相对位置：弹簧夹主要作用是
当板弹簧反向变形（即反跳）时，使各片不至于分开，以
免主片单独承载。另外兼起连接各片作用。此外．还可 以消除弹簧钢板侧向位移。防止各片横向错动。
首先在三维ＣＡＤ软件ｐｒｏｅ５．０野火版内完成
ＴＢ４２８１ＬＥ前钢板弹簧的三维ＣＡＤ模型，进行适当的模
型简化工作后通过分析软件专用接ＩＺｌ传递到ＡＢＡＱＵＳ
内进行ＣＡＥ模型前后处理及解算。ＴＢ４２８１ＬＥ前钢板弹
簧计算模型由九个零件所组成，分别为四片弹簧钢板及
五个垫片．ＴＢ４２８１ＬＥ前钢板弹簧计算模型所用的单元
类型为六面体单元，单元数量共：８３４１个，在形状复杂
的区域采用非协调元。ＴＢ４２８１ＬＥ前钢板弹簧材料为
５５ＣｒＭｎＡ弹簧用钢，该批次钢材通过试验得出其屈服强
度：１ １９０～１２００ ＭＰａ，抗拉强度：１２７０～１２９０ ＭＰａ。
ＴＢ４２８１ＬＥ前钢板弹簧动力学特性分析通过模拟疲
劳试验机上的板簧受压循环过程进行。动力学特性模拟
如图３示。利用夹紧机构对钢板弹簧的卷耳进行夹紧支
承。卷耳以销轴支承在装有滚轮的滑车上。然后通过疲
劳试验机偏心轮机构对钢板弹簧进行强制位移加载，使
其达到预定的变形量．再进行卸载．如此往复直至钢板
弹簧产生疲劳破坏。以验证载荷缓慢、连续地对弹簧加 ＊ｔｎ ０
图３ ＴＢ４２８１ＬＥ前钢板弹簧动力学特性模拟图
载、卸载，同时记录载荷和弹簧的变形量。试验基本参
数为：平均变形：７７ｍｍ；振幅：＋４９ ｍｍ：频率：１８６
次／分；上夹板长度：１１６ ＩＴＩＩｎ；下夹板长度：１１６ ｍｍ；Ｕ
型螺栓中心距：１１６ ｎ３ｍ；夹紧扭矩：２８０—３５０Ｎ・ｉｎ：该工
况下压总行程：１２６ｍｍ。
有限元模拟工况为采用以上试验参数的实际条件下
工况：钢板弹簧通过中部的Ｕ型螺栓固定在车桥上，两
端的卷耳边界条件为：一端的卷耳用销子铰接在车架的
图２ ＴＢ４２８１ＬＥ前钢板弹簧总成及ＡＢＡＱＵＳ中三维ＣＡＥ模型 支架上．另一端的卷耳通
过与衬套铰接后衬套再铰
接在车架的支架上。
从有限元模拟结果可
以看到，钢板弹簧总成在
ｔ＝０．Ｉｓ时，即预变形量为下
压２８ｍｍ时，最大应力
３８１．５ ＭＰａ。在ｔ＝Ｏ．２ｓ时，
最大应力７５７．８ＭＰａ。在ｔ＝
０．２３０６ｓ时．最大应力
９０３－３ＭＰａ。在ｔ＝０．２７６６ｓ时．